DE1903051C - Elektronisches Langenmeßgerat - Google Patents

Description

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dient zunächst folgende mathematische Ableitung (vgl. Abb. 1):

Es ist bekannt, daß der Strom/, in einem Stromkreis mit einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R nach dem Anlegen einer konstanten Gleichspannung U_b, beispielsweise durch Schließen eines Schalters S, entsprechend einer Exponentialfunktion gemäß Gleichung (1) ansteigt:

IO Diese Gleichung bildet die Grundlage für die Bestimmung der Induktivität L aach drei mögliches Verfahren:

a) L = U„ ■ R ■ t · 4-.

Bei konstanten Werten von U_b, R und t wird hier der Spitzenwert Ü des Spannungsabfalles gemessen, der während der Impulsdauer am Widerstand/? auftritt.

(J)

b)

Hierbei bedeuten L/R = T die Zeitkonstante des RL-Gliedes, t die seit dem Einschaltmoment verstrichene Zeit und 1, den im Zeitpunkl t durch das RL-Glied fließenden Strom.

Die e-Funktion der Gleichung (1) läßt sich nach Gleichung (2) durch folgende Reihe darstellen:

U_R

-R

C)

Bei konstanten Werten von U_b, R und U_R wird die Zeit t_x gemessen, die bis zum Erreichen des Wertes U_R des am Widerstand R auftretenden Spannungsabfalles verstreicht.

(2)

Ist die wesentliche Voraussetzung erfüllt, daß

T » t, (3)

so kann die Reihe schon nach dem linearen Glied abgebrochen werden, so daß die Beziehung dann lautet:

~ T¹

Setzt man die Gleichung (4) in Gleichung (1) ein, so erhält man

t.

Der nach dem Einschalten entstehende Strom i, ist also der Zeit t proportional und der Induktivität L umgekehrt proportional.

Umgekehrt läßt sich bei Kenntnis des zeitlichen Verlaufes des Einschaltstromes /, auf die Größe der Induktivität L schließen. Ist außerdem der Zusammenhang zwischen der Größe der Induktivität L und der Auslenkung des Tastbolzens eines elektromechanischen Wandlers bekannt, so kann man auf diese Weise Längenmessungen an Prüfkörpern vornehmen.

Den Strom i, kann man aus dem Spannungsabfall U_R, zur Zeit t am Widerstand R des Stromkreises der A b b. 1 bestimmen:

'•-ΊΓ

Wenn man Gleichung (6) in Gleichung (5) einsetzt, so ergibt sich:

L =

U„ ■ R ■ t

Bei konstanten Werten von U_b, R und ί wird die Steilheit U_R des am Widerstand R während der Impulsdauer ί auftretenden Spannungsanstieges gemessen.

Die Erfindung wird, nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

A b b. 1 ein für die obige mathematische Ableitung benutztes Schaltbild,

A b b. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Längenmeßgerätes, A bb^3 eine Schaltung zur Erfassung des Spitzen-

(4) wertes 0 [gemäß Verfahren a)],

A b b. 4 eine Schaltung zur Ermittlung der Zeitdauer t_x [Verfahren b)],

A b b. 5 eine Schaltung zur Ermittlung der Steilheit U_R [Verfahren c)],

A b b. 6, 7 und 9 Diagramme verschiedener Span-

(5) nungen,

A b b. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Längenmeßgerätes.

Das in A b b. 2 dargestellte elektronische Längenmeßgerät enthält einen elektromechanischen Meßwandler mit den Spulen L₁ und L₂, deren Induktivität durch den mit dem Tastbolzer. M verbundenen Ferritkern F beim Abtasten eines Prüfkörpers verändert wird. Ferner enthält die Schaltung die Transistoren T₁ und T₂, die als Schalter wirken, weiterhin Widerslände R₁ und R₂, an denen die den Spulenströmen proportionalen Spannungsabfälle abgegriffen werden. Schließlich ist noch ein als Taktgeber wirkender astabiler Multivibrator AM zur impulsmäßigen Steuerung der Transistoren T_x und T₂ vorgesehen.

Am gemeinsamen Pol der beiden Spulen liegt die konstante Gleichspannung + U_b, am gemeinsamen Pol der beiden Widerstände R₁, R₂ das Massepoten-("' tial. Zunächst seien die beiden Induktivitäten L₁ und Lr₂

einander gleich.

Durch die Spannungsimpulse an den Ausgängen Q₁ und Q₂ des astabilen Multivibrators AM werden die Transistoren T_x und T₂ abwechselnd geöffnet und wieder gesperrt. Die Diagramme α und b in F i g. 6 (7) zeigen den zeitlichen Verlauf der Spannungsimpulse U

an den Ausgängen 0, und Q-,.

In dem Augenblick, in dem T₁ geöffnet wird, fließt von +U_b über L₁, T₁ und R₁ ein Strom nach Masse, der nach Gleichung (1) von Null an nach einer e~Funktion ansteigt. Die Impulsdauer t₀ wird so gewählt, daß sie gegenüber der Zeitkonstante T₁ = LJR₁ sehr klein ist.

Der Stromanstieg, der als Spannungsabfall U_R1 an der Klemme A₁ gemessen werden kann, ist demgemäß quasi-linear. Da sowohl die Impulsdauer I₀ als auch die Spannung U_b und der Widerstand R₁ konstante Werte besitzen, ist sowohl der Spitzenwert Ü_R1 der Spannung an der Klemme A_x am Ende des Impulses als auch die Steilheit IZr₁ nur von der Induktivität L₁ abhängig.

Analog dazu verlaufen die Vorgänge in dem von L₂, T₁ und R₁ gebildeten zweiten Stromkreis. Sie werden durch den Spannungsabfall U_r2 am Widerstand R₂ (Klemme A₂) gemessen. Auch hier sind Steilheit U'_R2 und Spitzenwert Ü_R2 nur von der Induktivität L₂ abhängig.

Die Diagramme c und d in A b b. 6 geben den Verlauf des Spannungsabfalles U_R1 bzw. U_R2 an den Klemmen A₁ bzw. A₂ wieder.

Da sich die Induktivitäten L₁ und L₂ bei Verschiebung des Meßbolzens M immer im einander entgegengesetzten Sinne ändern, ist die Differenz der Spitzenspannungen Ü_R bzw. der Steilheiten U'_R ein Maß für die Auslenkung des Tastbolzens.

A b b. 3 zeigt eine einfache Schaltung für die Messung der Spitzenspannungen U_R. Dabei werden die Klemmen E₃ und E₄. in A b b. 3 mit den Klemmen A₁ und A₂ in A b b. 2 verbunden, über den Transistor T₃ wird der Kondensator C₃ auf den Spitzenwert Ü_R1 aufgeladen. Der Transistor T₃ wirkt dabei gleichzeitig als Impedanzwandler und Gleichrichter. Entsprechend wird Q auf den Spitzenwert Ü_R2 aufgeladen. Die Differenz der Spitzenspannungen wird von dem Galvanometer G angezeigt.

A b b. 4 zeigt eine einfache Schaltung für die Zeitmessung. Die Schaltung besteht aus einem bistabilen Multivibrator mit den Schaltungselementen T₅, T₆, R₅ und R₆, der über zwei Zener-Dioden Z₅ und Z₆ und die Klemmen £₅ und E₆ mit den Klemmen A₁ und A₂ von A b b. 2 verbunden ist.

Die Ansprechschwelle dieser Schaltung, die sich aus den Ansprechschwellen des Multivibraiors und der Zener-Diode zusammensetzt, ist mit U₀ bezeichnet, überschreitet die Spannung an den Klemmen A₁ und A₂ in A b b. 2 den Wert U₀ (Diagramme c und d in Abb. 6), so kippt der Multivibrator aus der bestehenden in die andere Arbeitslage. Dabei nehmen die Spannungen bei Q₅ und Q₆ (A b b. 4) für den Fall, daß L₁ = L₂, den durch die Diagramme e und / (A b b. 6) gezeigten zeitabhängigen Verlauf an.

In A b b. 7 ist der entsprechende Vorgang für den Fall dargestellt, daß L₁ > L₂. Die Diagramme a' und V veranschaulichen für diesen Fall den zeitabhängigen Spannungverlauf für U_R1 bzw. U_R2 an den Klemmen A₁ bzw. A₂; die Diagramme c' und d' geben die unter diesen Umständen an Q₅ bzw. Q₆ (Abb. 4) auftretende Spannung an.

Wie hieraus hervorgeht, ist die Impulslänge bei Q₅ und Q₆ abhängig vom Zeitpunkt, zu dem der Strom durch die Spulen den meßbaren Schwellwert U₀ überschritten hat.

A b b. 5 zeigt eine einfache Schaltung zur Differentiation der Spannungen an A₁ und A₂ (A b b. 2). Die Differentiation erfolgt über je ein RC-Glied.

An den Klemmen Q₇ und Q₈ entstehen Rechteckspannungen, deren Amplitude von der Steilheit des Stromanstieges und damit auch von der Auslenkung des Tastbülzens abhängig ist. Selbstverständlich können auch andere Differentiationschaltungen eingesetzt werden.

Wie eingangs dargelegt wurde, ist die Ausgangsspannung herkömmlicher Längenmeßgeräte begrenzt, da die Speisespannung zur Vermeidung einer zu starken Erwärmung nicht beliebig erhöht werden kann. Die Erfindung gibt nun die Möglichkeit, die Speisespannung U_b des Tasters dadurch erheblich zu vergrößern, daß zwar auf die Transistoren T₁ und T₂ Impulse gleicher Länge J₀ wie bisher gegeben, die Zeitabstände zwischen den Impulsen jedoch um ein Vielfaches vergrößert werden.

Eine Schaltung zur Durchführung dieser Messung ist in A b b. 8 dargestellt.

Diese Schaltung ist aus der Anordnung gemäß A b b. 2 entwickelt. An die Ausgänge Q₁' und Q₂' des astabilen Multivibrators AM' ist je ein monostabiler Multivibrator OS, bzw. OS₂ angeschlossen; deren Ausgänge Q₁" und Q₂" sind mit den Transistoren T₁ und T₂ verbunden. Die Impulsdauer t, des astabilen Multivibrators AM' ist sehr viel größer als die Impulsdauer I₀ der monostabilen Multivibratoren OS₁ und OS₂. Die beiden monostabilen Multivibratoren sind so geschaltet, daß sie nach einer Zeit J₀ wieder in ihre Ruhelage kippen.

Auf diese Weise werden die Transistoren T₁ und T₂ in Abständen von 2T₁ jeweils für die Zeit I₀ geöffnet.

Der Spannungsverlauf an den verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung ist in A b b. 9 dargestellt Die Diagramme a" und b" zeigen den zeitlichen

Verlauf der Spannungsimpulse an den Ausgängen Q₁ und Q₂ des astabilen Multivibrators AM'; die Diagramme c" und d" zeigen die Spannungsimpulse ar den Ausgängen Q₁'' und Q₂' der beiden monostabiler Multivibratoren OS₁ und OS₂. Die Diagramme e und /" geben die Spannungen an den Klemmen A bzw. A₂ wieder.

Die Auswertung dieser Spannungen kann in gleiche

Weise, wie oben beschrieben, durchgeführt werden Da die Zeit J₀, in der durch die Spulen ein Stron

fließt, gegenüber der Pausenzeit t_t sehr kurz isl kann die Speisespannung U₁, an den Spulen L₁, L sehr viel größer gemacht werden als bisher; dadurcj können an den Klemmen A[ und A₂' ebenfalls seh viel größere Signalspannungen als bisher abgenom men werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

ι ^ z zeichnet daß der Taktgeber (AM') mit den beiden Patentansorüche- elektrischen Schaltern [T1 bzw. T2) über je einen Patentansprüche. „onostabflen Multivibrator (OS1 bzw. OS2) ver-

1. Elektronisches Längenmeßgerät mit einem bunden ist, deren Impulsdauer wesentlich kleiner

elektromechanischen Wandler, dessen beim Ab- 5 als die des Taktgebers (AM ) lsi. tasten des Prüfkörpers aus seiner Ausgangslage

verstellter Tastbolzen durch seine Stellung die

Induktivität wenigstens einer Spule des Wandlers

bestimmt, dadurch gekennzeichnet, . . .*,„ ,

daß die Spulen (L₁, L₂) des Wandlers in einem .o Die Erfindung bezieht sich au en elektronisches

Stromkreis liegen? de? einen in Zeitabständen Längenmeßgerät mit einem elektromechan.schcn

elektrische Impulse liefernden Impulsgeber (AM) Wandler, dessen beim Ablas en des Prüfkörpers aus

zur zeitweisen Freigabe des Stromflusses über seiner Ausgangslage verstellter Tastbolzen durch

die Spulen (L₁ bzw L₂) sow^e eine Einrichtung seine Stellung die Induktivität wenigstens einer Spule

zum Messen einer von den Impulsen und von der 15 des Wandlers bestimmt.

Spuleniaduktivität abhängigen elektrischen Zu- Bei den Tastern von bekannten elektronischen

Standsgröße dieses Stromkreises aufweist. Längenmeßgeräte werden elektromechamscheWand-

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ler verwendet, bei denen entweder der Abglach einer zeichnet, daß jede der Spulen (L₁ bzw. L₂) des Wechselstrom-Widerstandsbrucke oder das Kopp-Wandlers in Reihe mit einem ohmschen Wider- 20 lungsverhältnis eines Differentialtransformators durch stand (K₁ bzw. K₂) geschaltet ist, an dessen Klem- die rastbolzenbewegungcn beeinflußt wird. Mü Hilfe men eine Einrichtung zur Messung des an diesem von eingespeisten Trager-Wechselspannungen lieiL-n Widerstand auftretenden Spannungsabfalles an- die Wandler Ausgangsspannungen, die der Auslengeschlossen ist kung des Tastbolzens aus der Ausgangstage propor-

3. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, 25 tionai sind (Amplitudenmodulation). Diese Ausgangsdadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (L. bzw. spannungen betragen nur einen Bruchteil (rd K) h,_s L₂) die Widerstände (R₁ bzw. R₂) sowie von einem 20%) der Speisespannungen. Da man die Hohe eier Taktgeber (AM) gesteuerte elektrische Schalter Speisespannungen aus Gründen der zulassigen Eigen (T₁ bzw T₂) in Reihe geschaltet an eine Gleich- erwärmung der Längenfemtaster in niederen Gren/en Spannungsquelle (U_b) angeschlossen sind. 30 halten muß, sind die Ausgangsspannungen der Wand-

4. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ler sehr klein. Sie müssen daher in besonderen Meßzeichnet, daß die beiden Spulen (L₁, L₂) eines verstärkern verstärkt und in besonderen phasennach dem Differentialprinzip arbeitenden elektro- empfindlichen Demodulatoren demoduliert werden, mechanischen Wandlers über die elektrischen ehe sie einem Anzeigeinstrument, einer Registner-Schalter (T₁, T₂) abwechselnd von einer gemein- 35 vorrichtung oder einem Steuergerät zugeführt werden samen Gleichspannungsquelle (U_h) gespeist wer- können.

den. Aus den genannten Gründen sind die mit Am-

5. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, plitudenmodulation arbeitenden elektronischen dadurch gekennzeichnet, daß die durch Tran- Längenmeßgeräte sehr aufwendig, im Betrieb sehr sistoren gebildeten elektrischen Schalter (T₁, T₂) 40 störanfällig und in der Beschaffung und Unterhaltung der beiden von einer gemeinsamen Gleichspan- sehr teuer.

nungsquelle gespeisten Spulen (L₁, L₂) durch Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen als astabiler Multivibrator ausgebildeten, ein elektronisches Längenmeßgenlt der eingangs gegemeinsamen Taktgeber (AM) gesteuert sind. nannten Art zu schaffen, das sich durch einen cin-

6. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, 45 fachen Aufbau, niedrige Herstellungskosten und eine dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen des besonders zuverlässige Betriebsweise auszeichnet.

in Reihe mit der Spule (L₁ bzw. L₂) geschalteten Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geWiderstandes (R₁ bzw. K₂) eine Einrichtung zur löst, daß die Spulen des Wandlers in einem Strom-Messung des während einer konstanten Impuls- kreis liegen, der einen in Zeitabständen elektrische dauer (t) auftretenden Spitzenwertes (U) des Span- 50 Impulse liefernden Impulsgeber zur zeitweisen Freinungsabfalls am Widerstand (R₁ bzw. R₂) ange- gäbe des Stromflusses über die Spulen sowie eine schlossen ist. Einrichtung zum Messen einer von den Impulsen

7. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, und von der Spuleninduktivität abhängigen elekdadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen trischen Zustandsgröße dieses Stromkreises aufweist, des in Reihe mit der Spule (L₁ bzw. L₂) geschalteten 55 In den Zeitintervallen, in denen der Impulsgeber Widerstandes (K₁ bzw. R₂) eine Einrichtung zur den Stromfluß durch die Spulen des Wandlers sperrt Messung der Zeit (I_x) angeschlossen ist, die bis geben die Wandlerspulen Wärme an die Umgebung zum Erreichen eines vorgegebenen Spannungs- ab. Durch diese verringerte thermische Belastung dei wertes (U_R) des am Widerstand (R₁ bzw. K₂) Wandlerspulen ergibt sich die Möglichkeit, die Speise· auftretenden Spannungsabfalls verstreicht. 60 spannung des Wandlers im Vergleich zur üblicher

8. Meßgerät nach, den Ansprüchen 1 und 2, Ausführung (mit ständig gespeisten Wandlerspuler dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen zu erhöhen, ohne die zulässige Erwärmung dei des in Reihe mit der Spule (L₁ bzw. L₂) geschalteten Spulen zu überschreiten. Diese Erhöhung der Speise Widerstandes (K₁ bzw. K₂) eine Einrichtung zur spannung führt zu einer Erhöhung der Ausgangs Messung der Steilheit (U«) des am Widerstand 65 spannung, was eine Erhöhung der Meßgenauigkei (K₁ bzw. R₂) während der Impulsdauer (i) auf- und eine weitgehendere Störungsfreiheit mit siel tretenden Spannungsanstieges angeschlossen ist. bringt. Die erfindungsgemäße Schaltung zeichnet siel

9. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekenn- ferner durch einen einfachen Aufbau aus.